螺桿冷凍機組在聚丙烯裝置的應用及選型探討

陳 杰

（中國石油化工集團股份有限公司荊門分公司，湖北荊門 448002）

0 引言

冷凍機組是10 萬噸/年聚丙烯裝置重要機組之一，其作用是將含乙二醇的脫鹽水冷凍至2 ℃，提供給各冷凍水用戶，如主催化劑配制和儲存、催化劑預接觸和預聚反應、造粒添加劑配制等來實現工藝過程。

荊門石化的2#聚丙烯裝置從1999 年裝置投產至今，先后用過3 臺螺桿冷凍機組：最早選用意大利Angelanoni 公司的機組，型號CRL-100WI-1A/EEX，單臺配置；2011 年新增武冷半封閉螺桿冷凍機組，型號LSBLG565，實現雙臺配置，一開一備；2014 年原Angelanoni 公司機組拆除，更新為煙臺冰輪的螺桿冷凍機組，型號YSLGF350A。

1 螺桿冷凍機組的主要特點和工作原理

聚丙烯裝置采用的螺桿冷凍機組屬整體撬裝設備，均由單級雙螺桿壓縮機、管殼式冷凝器（貯液器）、蒸發器、節流裝置和電控系統等組成：機組都采用PLC 可編程控制器，實現自動控制、能量自動調節；制冷劑采用R22；能量調節裝置使壓縮機可進行10%（或15%）～100%無級調節，通過能量指示器顯示（對應為滑閥的位移）；壓縮機均可實現自動減載啟動。

氣態制冷劑的混合氣經壓縮機出口進入油氣分離器進行油氣分離后，制冷劑到冷凝器等壓冷凝成液態，液態制冷劑通過節流裝置如恒溫膨脹閥等嫡膨脹（煙臺冰輪采用蒸發器液控閥控制供液閥開度），溫度及壓力大大降低后，在蒸發器中進一步蒸發膨脹，并吸收大量的熱，制冷劑相變成氣態返回壓縮機入口再次被螺桿壓縮機壓縮，實現循環制冷（圖1）。

圖1 機組制冷工作原理

2 機組出現的主要問題、原因分析和采取的措施

2.1 煙臺冰輪冷凍機組PK601C

機組2014 年6 月底安裝并調試完，7 月初驗收后正式投入使用。機組運行至7 月20 日以后，發現蒸發器液位逐漸下降，甚至看不到液位。該機組蒸發器主供液閥+液控器采用的是丹佛斯機械液位控制PMFL+SV，即進入蒸發器制冷劑的量根據蒸發器液位來控制，而非常規的膨脹閥調節。當時蒸發器主供液閥供液不暢，已經起不到調節蒸發器液位的作用。8 月上旬，因蒸發器液位過低導致壓縮機入口壓力低報聯鎖停機兩次。懷疑蒸發器內漏及供液閥故障，聯系廠家到現場，逐項檢查確認，發現主機軸封泄漏制冷劑、更換了密封。機組重新打壓查漏，未發現明顯漏點。拆供液主閥及蒸發器殼程（制冷劑）排放時發現大量冷凍機油。機組重新抽真空加油加制冷劑后開機。

對于本次問題廠家的結論是工藝冷凍水流量不足導致蒸發器換熱效果不好，液相制冷劑進入壓縮機，影響氣液分離器工作，導致冷凍機油進入蒸發器。實際上，冷凍水泵P601 出口閥常開并無截流或泵出口旁路閥調節，出口總流量DCS 室一直控制在45～60 t/h（出口分成兩股，一股類似小循環直接進入蒸發器，另一股類似大循環去冷凍水用戶吸熱后再進入蒸發器）。機組本身有冷凍水流量低報警開關，但并未報警。

根據事后對壓縮機運行狀況分析，導致問題發生的原因主要有兩個。

（1）壓縮機軸封泄漏導致機組內制冷劑不足，進出蒸發器液相制冷劑總量逐漸減少，隨著制冷劑由飽和態逐漸轉向過熱態，吸熱能力進一步下降、冷凍水溫上升、壓縮機自動加載，破壞了原有建立的穩定循環，壓縮機入口吸力增大、若進入壓縮機吸氣管路壓力瞬間低于蒸發器當時溫度下的飽和蒸汽壓，蒸發器部分液相制冷劑未來得及氣化膨脹就吸入壓縮機。另外，每年的七八月份是一年中最熱的季節，用戶熱量不會降低，而冷凝器采用的冷卻水使用循環水水溫較高，機組冷凝器冷凝效果下降，循環回收的液相制冷劑供應量相對減少，如果系統有漏點則會加速問題出現。

（2）機組油氣分離效果達不到用戶需求。不僅油氣分離器在結構設計上要滿足制冷劑和冷凍機油能較好地分離，如內部采用分子篩濾芯的目數和數量適當，機組還應達到穩定適當的排氣溫度。過低的排氣溫度下制冷劑溶于油中難以氣化分離，而過高的排氣溫度機組處于過熱態，制冷劑不足制冷效果下降冷凍水溫升高。

從聚丙烯裝置各冷凍水用戶產熱量變化來看，在生產負荷不變的情況下，主催配置后降溫和造粒添加劑冷卻時（屬于間歇工藝操作），熱量增加明顯、冷凍水溫明顯上升、機組能量（載位）增加；另外冷凍水用量受環境氣溫影響很大，冬季和夏季明顯有別，機組平均能量（載位）最高相差30%以上，即使沒有熱量明顯增加的工藝操作，在以分鐘為時間單位觀察十數分鐘機組實際能量（載位）變化趨勢，可以發現能量最高波動幅度也能達到30%，相應地冷凍水溫上下波動在1 ℃左右。正是因為聚丙烯裝置冷凍機機組能量調節頻繁，運行參數有一定的波動幅度，排氣溫度不穩定，難以達到穩定的油氣分離效果。

從該機型配置來看，沒有排氣溫度檢測和相應的報警提示，不能直觀地觀察排氣溫度的變化。但增加了引射回油管線，即將蒸發器一路低壓管線與壓縮機出口一路高壓管線通過引射體連通后進入壓縮機吸氣管路。其原理是：高壓氣體的高速氣流進入引射體后在氣流周圍形成局部負壓，將蒸發器中的油吸走。從實踐來看引射回油效果，最初數次引射回油操作，可以肉眼觀察到進入蒸發器油明顯減少，油氣分離器油位有所回升。但是隨著機組運行時間增加，蒸發器頻繁奔油已經不能用引射回油方式將油回收，回油調節手閥定期調整等措施也沒有實質性改善。

因油氣分離效果不佳，氣相制冷劑夾帶冷凍機油從油氣分離器出口經冷凝器、主供液閥竄入蒸發器，蒸發器因進入大量冷凍機油換熱能力明顯下降，蒸發器內液相制冷劑不能充分吸熱氣化，部分液相制冷劑進入壓縮機，降低了排氣溫度，進一步惡化了油氣分離效果。同時因制冷劑不能充分氣化降低了蒸發器壓力，導致壓縮機吸氣壓力下降，因此出現了壓縮機多次吸氣壓力低報停機。

隨后機組運行過程中油分器油位低現象已成為常態，同時因油分器油位低對油壓造成影響。2017 年5 月20 日晚間，機組因油壓低報聯鎖停機，油氣分離器看不到油位。經檢查確認油分器回油線暢通，當時初步判斷可能是油分器內部油氣濾芯有破損或者靜密封有漏點所致。通過本公司物采中心聯系煙臺冰輪廠家采購一套油氣濾芯（包括配套密封圈）型號SLXA600/240。待更換油氣濾芯時發現原濾芯并無破損，各處靜密封也完好。處理完重新開機，油分器油位仍持續下降。油分器油分效果差無法解決，只能采取措施每天白班投用引射回油，盡量將蒸發器油回收。巡檢和專檢時重點關注油壓變化。之后一度計劃增加在線加油設施，當油分器油位過低時實現不停機加油來穩定油壓。

2018 年檢修后機組油分器油分效果仍不理想，蒸發器奔油的現象無法徹底解決。為了穩定油壓采取引射回油操作時間延長，直至機組運行期間引射回油常開。實踐證明，引射回油穩定油壓效果明顯，此前大致每年都因油壓低被動或主動停機處理，自引射回油操作改為常開后油壓一直可以穩定在2 bar（0.2 MPa）以上。2018 年下半年至今，近3 年來機組未再發生因油壓低被迫停機事件。

2.2 武冷冷凍機組PK601B

該機組是半封閉螺桿機組，油氣分離系統和潤滑油系統及螺桿機封閉布置在壓縮機機體內部，潤滑油通過軸頭泵建立油壓給螺桿機各部潤滑并提供由電磁閥控制的液壓油改變滑閥位移，從而改變機組能量（載位）。節流裝置采用了兩臺膨脹閥，其他配置則與PK601C 機組類似。

機組2011 年6 月底完成安裝、進行調試，調試過程中意外發生壓縮機機械故障，壓縮機拆走送指定修理廠大修。下半年第二次調試完試機各參數正常，制冷能力強勁。

2018 年以前機組運行總體平穩，常見的問題是運行一段時間后壓縮機吸氣壓力下降，需定期補充制冷劑；電動供液截止閥開機時意外沒有打開導致吸氣壓力零，將截止閥改為常開；壓縮機機體結冰結霜、排氣溫度偏低，無有效手段解決，對機組運行的影響可以接受。機械和電儀方面沒有出現影響較大的問題。

2018 年2 月問題開始集中出現。2 月26 日機組因油位低報停機數次，檢查油濾芯正常并重新加油、抽真空、加制冷劑。開機后嘗試關小冷凝器上水閥開度減小冷凝器供液量來提高排氣溫度，但排氣溫度上升同時（冷凍水溫并未同步立即上升）載位自動上升、電流同步上升較快、排氣壓力上漲較快，負載最高自動加載100%，必須時常手動降負載，不便于控制。隨后再次開機排放過量制冷劑、提高蒸發器出水溫度報警設定值，運行一天后再次出現油位低報停機。停機后觀察油看窗油位正常，說明油位低報不是機組缺潤滑油所致。

分析認為，PK601B 名義制冷量567 kW，較老冰機PK601A高約200 kW，與實際用戶熱量相比制冷量過大、膨脹閥開度設置偏大，進入蒸發器制冷劑較多處于過冷態，需要控制在較低載位下運行，往常機組運行載位顯示一般在10%～25%，最高不超過30%，蒸發器出水溫度即能降到-2 ℃。過量液相制冷劑在蒸發器內未充分氣化造成蒸發器壓力較低，此時加大載位壓縮機排氣量增大將部分液相制冷劑也吸入壓縮機，同時局部瞬間負壓還將潤滑油也吸走造成奔油現象。因此，載位控制過高是造成油位低報的主因。

壓縮機能量調節此時已不受控，直接現象是減載不以設定蒸發器出水溫度動作（出水溫度低于水溫設定值仍在加載）、排氣溫度與自動加載同步、手動方式手動加減載后能量不能穩定、持續高載位運行不能自動減載、載位波動幅度過大，隨之壓縮機排氣溫度、蒸發器出水溫度、電機電流都有大幅波動。

因該機組PLC 程序和控制邏輯圖等技術資料武冷并沒有提供（機組控制系統非武冷生產是由分包商提供），而武冷已被兼并，該機型已被廠方淘汰，了解該機型的廠方技術人員流失，通過原制造廠家提供技術支持的途徑已中斷。

為了解決油位頻繁低報和機組能量不受控的問題，分別聯系到其他制冷公司到現場技術服務，調整了膨脹閥開度，機組排氣溫度有所上升，機體結冰現象有好轉，但因膨脹閥選型偏大，蒸發器過冷態仍然存在。控制系統問題并不能通過參數調整來解決。當年與武漢另一家制造商達成了機組維修技術方案，主要是更換機頭組件和更新控制系統。但因故商務合同未簽，此維修方案未能實施。

目前儀表技術人員準備擇機將機組能量控制部分由PLC改進DCS 控制，以便更好地精確控制載位，在低載位運行狀態下保持機組穩定運行。如果改為DCS 控制仍不能穩定機組運行再根據運行狀況確定是否還有能量電磁閥或是滑閥問題，分別確定維修方案直至考慮機組整體更新。

2.3 意大利Angelanoni 公司機組PK601A

該機組1999 年9 月聚丙烯裝置投產時投用，2014 年4 月拆除。常見問題與另兩臺機組大同小異，具體情況不再贅述。

3 根據螺桿冷凍機組的實際應用在選型時需要關注的事項

（1）根據冷凍水用戶熱量確定合適的制冷量，避免選用過大的機組。因PK601B 機組制冷量選取過大，膨脹閥和壓縮機排氣量選型偏大，進入蒸發器液相制冷劑過多造成一系列問題，不得不長期處于低載位運行，這樣不僅能效低，長期過低溫度也會影響設備壽命。

（2）優先選擇的機組制造廠家應在行業內技術水平先進，可以獨立制造整機，或對子系統、重要部件的分包商的資質和供貨技術標準提出明確要求。選用的機型應設計成熟可靠，供貨商對機組各系統均能提供可靠的技術支持。

（3）機組考慮采用DCS 控制，如仍采用PLC 控制應設置最低和最高載位設定。因裝置冷凍水用戶熱量不穩定，尤其冬季和夏季受環境氣溫影響較大，冬季機組長期自動控制在0%～20%載位（顯示值）運行（而手動載位難以穩定調節），長期低載位運行能效低、產生異常噪聲，降低設備壽命。另外機組受環境和用戶熱量變化的影響很大、參數不易穩定，能量頻繁調節、波動范圍大，設定最低載位和最高載位，可以在實際應用中設置比較穩定的符合當前條件下的能量調節區間，增加操作彈性，穩定機組運行。

（4）通過對比，考慮優先選用半封閉式螺桿機組。半封閉螺桿機組結構緊湊，機頭、油系統和油氣分離內置，無動密封，靜密封點密封性更可靠不易泄漏，機組實際上定期補充制冷劑的周期遠小于開式螺桿機組。只要沒有過量液相制冷劑進入蒸發器和機體造成過冷態，一般不會發生油氣難以分離的情況。半封閉螺桿機組操作簡便，對控制系統的可靠性要求較高。選擇能力適當、控制系統可靠的機組，機組運行相對更穩定。另外，機組整體造價低、日常維護少、故障率低，但是半封閉式螺桿機維修難度較大，單次維修費用較高，在有備機的情況下可以優先考慮。

（5）需要油氣分離的機組，蒸發器應選用干式蒸發器。PK601C采用的蒸發器屬于滿液式蒸發器，而PK601A 和PK601B 都采用干式蒸發器。最主要的區別是，滿液式蒸發器管程走冷凍水、殼程走制冷劑，而干式正好相反。實際上，滿液蒸發器回油困難且不穩定，回油積留在殼程內降低蒸發器換熱能力，并直接導致后續一系列異常工況。具體情況前文已介紹，不再重復。而且因冷凍水走管程，阻力損失大，影響冷凍水流速。一旦冷凍水中乙二醇濃度下降溶液冰點上移，在冷凍水流速下降（阻力損失或臟、堵）、蒸發器溫度過低的狀況下，傳熱管容易凍裂。而干式蒸發器制冷劑走管程容易將回油帶走，不會出現后續一系列異常工況，傳熱管也不易凍裂。

4 結束語

螺桿冷凍機組日常操作簡單，正常情況下不需要人為進行調整，但一旦發生異常情況調整到正常穩定工況比較困難。因此機組控制系統可靠性、機型與裝置匹配性、機組各系統性能特點和配件產品質量決定了設備運行是否穩定可靠。實踐表明，在選型時就已確定設備的常見問題。為了避免設備出現“先天不足”的問題，耗費大量人力和資源采取應急和補救措施，需要高度重視設備前期管理，在選型環節嚴格把關。本文對螺桿冷凍機組選型需要注意的事項做了技術總結，以供借鑒。